Aplikace tepelné pasty je důležitým krokem v procesu spojování akumulátorů elektrických vozidel a hraje klíčovou roli v řízení teploty. Zajišťuje výkon a bezpečnost akumulátoru. Inteligentní řešení aplikace může také ušetřit materiál, hmotnost a náklady.
Elektromobilita se musí neustále vyvíjet tak, aby splňovala rostoucí požadavky trhu na provozní bezpečnost, výkon, dojezd, dobu nabíjení a náklady. Akumulátor jakožto srdce vozidla může dosahovat maximálního výkonu pouze při určitém rozmezí teplot. Každý akumulátor vytváří během nabíjení a vybíjení teplo, které musí být řízeno a rozptylováno pro zajištění bezpečnosti a pro udržení dlouhodobé kapacity akumulátoru. V desce akumulátoru je aplikována tepelně vodivá pasta, která zabraňuje přehřátí v důsledku tepla vznikajícího provozem článků.
Tepelně vodivé pasty: vysoká cena, vysoká hmotnost
Tyto vysoce viskózní materiály obohacené speciálními plnivy, známé také jako materiály pro vyplňování mezer nebo materiály tepelného rozhraní (TIM neboli Thermal Interface Materials), umožňují aktivní řízení teploty velkých akumulátorových zdrojů prostřednictvím rozptýlení tepla vznikajícího během nabíjení a vybíjení článků do příslušných chladicích struktur.
“V závislosti na typu akumulátoru a výrobci se na každý akumulátor aplikuje až 5 litrů materiálu tepelného rozhraní, což má za následek až 15 kg hmotnosti materiálu ve vozidle. Náklady jsou vysoké – přibližně 10 EUR na kilogram. Optimalizace využití materiálu v desce akumulátoru má zásadní význam pro snížení hmotnosti, nákladů a uhlíkové stopy.”
Daniel Boes Manažer produktového portfolia, divize řešení pro průmyslovou montáž SCA Dispensing, Industrial Assembly Solutions
Proces spojování z pohledu řízení teploty
Během procesu spojování se po utěsnění desky akumulátoru a montáži chladicího systému a oddílů aplikuje tepelně vodivá sloučenina, jako je TIM. Zcela zásadní je přesná aplikace bez vzduchových kapes. Pokročilá technologie utahování zajišťuje optimální kontakt mezi krytem a modulem akumulátoru, protože zohledňuje chování tepelně vodivé pasty na spoji.
Aplikace tekutého materiálu ve velkém množství a s vysokým průtokem je náročná. Velmi důležitý je vysoce výkonný aplikační systém, který obsahuje součásti odolné vůči abrazivnímu materiálu. K podpoře nalisování modulů na vodivou pastu bez bublin lze využít různé aplikační vzorce, jako jsou rovnoběžné linie, meandry nebo tzv. kostní aplikace. Pro vývoj vhodného způsobu použití jsou nezbytné rozsáhlé testy materiálů. V našich globálních inovačních centrech hledáme optimální aplikaci pro každý konkrétní případ společně s výrobci akumulátorů a zařízení a dodavateli materiálů a našimi odborníky na spojování.
Zohlednění tolerancí
Při aplikaci materiálu je třeba zvažovat tolerance mezi prostorem pro akumulátor a modulem článku, který funguje jako protikus. Příslušné toleranční řetězy komponent mají za následek mezery 0,5 až 3 mm.
Pokud se aplikuje příliš málo materiálu, může to vést k nedostatečnému naplnění a vzniku vzduchových kapes, což negativně ovlivňuje kvalitu řízení teploty.
Výrobci obvykle aplikují příliš mnoho materiálu, aby bylo zajištěno, že mezera bude dostatečně vyplněna i při maximálních tolerancích. To vede k plýtvání materiálem, zvýšení hmotnosti akumulátoru a zvýšení nákladů. Vytlačení materiálu při utahování modulů rovněž může vést k technickým závadám. Cílem je použít objem materiálu přesně minimalizovaným způsobem.
Adaptované měření, výpočet a použití
Atlas Copco has developed a special solution for optimized application of the thermal paste. Here, 3D sensors measure the underside of the battery module (left) as well as the surface of the battery compartment (right). By matching the scan data, the gap tolerances can be calculated precisely.
Společnost Atlas Copco spoléhá na průmyslový systém zpracování obrazu následných procesů v kombinaci s inteligentním algoritmem, který systému měření umožňuje přesně aplikovat materiál tepelného rozhraní. Systém Smart.Adjust počítá a řídí optimální množství materiálu.
V prvním kroku měří 3D snímače spodní stranu modulu akumulátoru a povrch prostoru pro akumulátor. Data skenování se sloučí v softwaru. To umožňuje přesně vypočítat tolerance a objem sloupce. Inteligentní algoritmus určí požadovaný objem materiálu z dat skenu a odešle informace přímo do řízení linky aplikačního systému, který odpovídajícím způsobem upraví parametry pro každou jednotlivou aplikaci, a tím pádem se použije optimální objem materiálu. Přesné nastavení objemu se provádí přímo pomocí měřicího systému.
The intelligent algorithm determines the required material volume from the scan data and sends the information directly to the line control of the application system, which applies the material in an optimized manner. In this test setup, the gap tolerances were simulated by recesses in the battery base for clarity.
Měřitelné úspory nákladů a hmotnosti
Systém Smart.Adjust výrazně zlepšuje kvalitu a spolehlivost řízení teploty.
Když je mezera vyplněna optimálním množstvím tepelně vodivého materiálu, je zajištěno dostatečné řízení teploty, jsou eliminovány technické závady, snižuje se plýtvání materiálem a akumulátor může být provozován na plný výkon. Díky principu "správně hned napoprvé" lze také předejít přepracování.
Rozsáhlé testy ukázaly, že systém Smart.Adjust může ušetřit až dva kilogramy čisté hmotnosti materiálu na baterii, v závislosti na materiálu. Pokud jde o celkové množství materiálu použitého v akumulátoru, lze ušetřit až 20 % nákladů na materiál. Tím se nejen snižují emise CO2 spojené s procesem aplikace, ale také se sníží hmotnost, což znamená delší dojezd vozidla.
Problémy s přívodem materiálu
Aby se zlepšilo řízení teploty, je kromě aplikace potřeba věnovat pozornost přívodu materiálu. Problémy vznikají v důsledku jedinečných vlastností materiálů pro řízení teploty. Vysoká hustota často způsobuje, že jsou sudy pouze z poloviny plné, což vyžaduje časté změny sudu. Po každé změně je nutné provést ruční odvzdušnění a čištění, což vede ke ztrátě 1,5 až 6 litrů materiálu jako odpadu z procesu načerpání. Tradiční čerpadla mají navíc problémy s úplným vyprázdněním sudu, takže ve 200litrovém sudu zůstane až 6 litrů materiálu.
Tento složitý proces spotřebovává čas, plýtvá drahou tepelně vodivou pastou a vyžaduje nákladnou likvidaci zbytků materiálu. Zajištění konzistentní kvality v celém procesu dávkování je také náročné kvůli manuálním operacím.
The SCA ENSO Plus.Supply offers three different base plate versions for optimal logistic and easy handling of barrel change.
Vakuová technologie zajišťuje úsporu materiálu
Společnost Atlas Copco jako odpověď na tyto výzvy vynalezla novou generaci čerpadel materiálů nazvanou Plus.Supply. S poloautomatickou výměnou sudu, nově navrženou plochou sledovací deskou a vakuovou technologií je systém SCA ENSO Plus.Supply naším „hrdinou uhlíkové stopy“ díky 99,4%výtěžnosti materiálu na každý sud. Vývěva automaticky odsává vzduch zachycený mezi plochou sledovací deskou a materiálem, což umožňuje poloautomatickou výměnu sudů. Jsou odstraněny manuální procesy, jako je větrání a vyplachování. Tím se snižuje složitost výměny sudů a míra potřebného školení, jak předcházet vzduchovým kapsám v materiálu, které mohou vést k chybám v aplikaci, a zvyšuje se bezpečnost obsluhy. Pro systém Plus.Supply nabízíme tři různé základní desky – jsme schopní splnit logistické potřeby téměř každého výrobce.
*per system per year. Our Plus.Supply with vacuum pump and Flat Follower Plate can increase the material efficiency up to 99,4 %
Zjistěte více o našem řešení ve videu
Závěr: Efektivní využití materiálů jako páky pro větší udržitelnost ve výrobě baterií.
Měřitelné výhody jsou dosahovány díky inovativnímu aplikačnímu systému, který dokáže zohlednit tolerance součástí a optimálně aplikovat materiál. Role přívodu materiálu v řízení teploty je často podceňována. Inovativní koncepce přívodu materiálu nabízejí velké možnosti úspor materiálu a zlepšení procesu při výměnách sudů, což také napomáhá výraznému snížení emisí CO2 v procesu montáže akumulátorů elektrických vozidel.
Klíčové přínosy
- Řízení teploty zajišťuje výkon a bezpečnost moderních akumulátorů pro elektrická vozidla a také prodlužuje jejich dojezd
- Potenciální úspory pro výrobce akumulátorů EV jsou obrovské a týkají se materiálu, hmotnosti a nákladů
- Měřitelných výhod se dosahuje díky optimální aplikaci materiálu
